科普傳播資訊

科普| 中國化學(xué)奧林匹克(二)

發(fā)布時(shí)間:2020年04月20日 來源:中國化學(xué)會(huì)

科學(xué)的世界豐富多彩,或許大家對(duì)其中的奧秘還沒有深刻的認(rèn)知,但是化學(xué)的奇妙世界,卻是一眼就能讓人覺得那是一個(gè)很有意思的世界。也許很多人從小就開始對(duì)這個(gè)世界充滿疑惑,化學(xué)的奇妙世界到底是什么原理呢?世界很精彩,化學(xué)世界尤其精彩。

當(dāng)然,化學(xué)世界的豐富多彩,還體現(xiàn)在化學(xué)的理論原理中。在上一期中,給大家留了一道2018年7月在斯洛伐克布拉迪斯拉發(fā)和捷克布拉格舉辦的第50屆國際化學(xué)奧林匹克競賽理論題第7題―西多福韋。不知道大家對(duì)這道有機(jī)合成化學(xué)推斷題分析得怎么樣了呢?下面就跟我一起來詳細(xì)分析下這道題吧。

 

7-1 畫出化合物A–D的結(jié)構(gòu)式,包括立體化學(xué)。一個(gè)A分子產(chǎn)生兩個(gè)B分子。

7-2 畫出化合物3的所有其他異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)式——這些異構(gòu)體可用于相同的反應(yīng)過程,僅生成相同的產(chǎn)物2。

二醇2可以進(jìn)一步修飾并轉(zhuǎn)化為化合物1。用于將化合物F轉(zhuǎn)化為G的磷酸酯4的合成將在后面討論。

 

7-3 畫出化合物E–I的結(jié)構(gòu)式,包括立體化學(xué)。用縮寫MMT表示4-甲氧基苯基二苯基甲基((4-methoxyphenyl)diphenylmethyl)基團(tuán)。

磷酸酯4可以通過以下合成路線制備:

 

7-4 畫出化合物J–L的結(jié)構(gòu)式。

化合物I(來自題目7.3 )與胞嘧啶5反應(yīng)得到一種異構(gòu)體M N 的比例為3:1 的混合物。這兩種產(chǎn)物的形成可以理解為,胞嘧啶(5)也可異構(gòu)化為具有芳香性的互變異構(gòu)體P,因而產(chǎn)生兩種產(chǎn)物。M與1,4-環(huán)己二烯及氫氧化鈀/碳反應(yīng)生成化合物O?;衔?strong>O 中的磷酸酯部分進(jìn)一步與三甲基溴硅烷反應(yīng)生成西多福韋1

 

7-5 畫出兩個(gè)異構(gòu)體MN以及化合物O的結(jié)構(gòu)式,包括立體化學(xué);畫出胞嘧啶(5)的具有芳香性的互變異構(gòu)體P的結(jié)構(gòu)式。MO的轉(zhuǎn)變過程是去保護(hù)基團(tuán)。

7-6 畫出Q(來自環(huán)己二烯)和R(來自保護(hù)基)的結(jié)構(gòu)式,它們是MO的轉(zhuǎn)化過程中生成的兩個(gè)簡單的有機(jī)副產(chǎn)物。

題目解析:

由L-甘露糖醇(3)到分子2,這顯然是一個(gè)保護(hù)端位兩個(gè)–OH的反應(yīng)。酮或醛在脫水劑作用下易與具有適當(dāng)空間的1,3-二醇羥基或鄰二醇羥基生成環(huán)狀的縮醛或縮酮。常用脫水劑是無水氯化鋅、無水硫酸銅等 可以利用縮醛、縮酮反應(yīng)作為某些羥基保護(hù)劑。

高碘酸(H5IO5)、偏高碘酸鉀(KIO4)以及偏高碘酸鈉(NaIO4)的水溶液可以使1,2-二醇或鄰二醇的碳碳鍵斷裂,醇羥基轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的醛、酮,并且可以定量反應(yīng)。因此根據(jù)高碘酸根離子的消耗量可以推測多元醇中所含鄰羥基的數(shù)目。

另外,根據(jù)羰基化合物,可以用氫化金屬化合物還原成–OH,最常用的是氫化鋁鋰和硼氫化鈉。氫化鋁鋰能產(chǎn)生氫負(fù)離子,并與羰基碳原子結(jié)合,形成醇鹽,經(jīng)水解可以得醇。另外,氫化鋁鋰在水中會(huì)分解,在醚類溶劑中穩(wěn)定,因此反應(yīng)溶劑一般在醚類溶劑中進(jìn)行。硼氫化鈉的還原反應(yīng)機(jī)理和氫化鋁鋰相同,反應(yīng)產(chǎn)生的BH4是唯一進(jìn)攻試劑,但是反應(yīng)活性不如氫化鋁鋰。同時(shí),反應(yīng)必須在質(zhì)子溶劑中進(jìn)行,在水/醇中具有一定的穩(wěn)定性,特別在堿性條件下比較穩(wěn)定,因此常用醇溶液作為反應(yīng)溶劑。

Willianmson(威廉森)合成方法:NaH是有機(jī)合成中用途很廣泛的強(qiáng)堿,Et3N也是一種有機(jī)堿,但是反應(yīng)活性低于NaH。它可以奪取醇–OH的質(zhì)子而生成相應(yīng)的醇鈉化合物,RONa。這被常用于制備醚類化合物,包括對(duì)稱醚類和不對(duì)稱醚類化合物。

反應(yīng)機(jī)理:RONa+R1X→ROR1+NaX

R1X中常用鹵代烷烴,同時(shí)磺酸酯或者硫酸酯也常用于該反應(yīng)。例如:

 

根據(jù)以上分析,我們可以推測出7-1以及7-3的化學(xué)反應(yīng)方程式。

 

7-1反應(yīng)方程式

 

7-3 反應(yīng)方程式

根據(jù)磷酸酯4的化學(xué)結(jié)構(gòu)式,可以推斷出前一步反應(yīng)為Willianmson反應(yīng),則L為醇類化合物。前一步在乙醇鈉作用下同樣經(jīng)行Willianmson反應(yīng),然后在酸性條件下發(fā)生酯類的水解反應(yīng),最終生成醇。

 

7-4化學(xué)反應(yīng)方程式

嘧啶環(huán)可以用1,3-二羰基化合物與尿素發(fā)生縮合反應(yīng)得到。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

 

嘧啶酮可以發(fā)生互變異構(gòu)體。根據(jù)題目中提示的同分異構(gòu)體具有芳香性,因此,我們可以得知胞嘧啶的另一同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)為醇式,但是平衡主要存在酮式一邊。即酮式構(gòu)型分子可以較為穩(wěn)定的存在。在堿性條件下可以發(fā)生如下反應(yīng):

 

根據(jù)最終產(chǎn)物西多福韋(1)的分子式,對(duì)比以上胞嘧啶的衍生物可知,后續(xù)反應(yīng)式應(yīng)該為醚類中C-O鍵斷裂的過程。Pd(OH)2/C為有機(jī)合成反應(yīng)中常見催化劑,主要起催化加氫作用:烯烴加氫、還原苯甲酸、醛氧化成酸、酚還原成環(huán)己酮以及氧芐基苯脫芐基等。同時(shí)分子M中存在氧芐基苯。因而在Pd(OH)2/C催化作用下可以發(fā)生一下反應(yīng):

 

因此,根據(jù)以上分析,我們可以依次得出各個(gè)化合物的分子式。到這里,這道國家化學(xué)奧林匹競賽理論題全部推斷出來了??梢钥闯?,要是沒有扎實(shí)的有機(jī)合成反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ),是很難全部解答出來的。

 

(來源:化學(xué)通訊微信公眾號(hào),閔陽/撰稿)